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1、电子课程设计目录第一部分电子课程设计题目及要求1 题目 12 设计目的13 设计内容及要求14 脉搏计的基本原理1第二部分设计方案1. 提出方案22. 方案比较3第三部分电路设计与分析41. 信号发生与采集42. 放大电路43. 有源滤波电路54. 整形电路75. 倍频器96. 基准时间产生电路106.1 NE555 定时器106.2 用555定时器构造施密特触发器116.3 用施密特触发器构造多谐振荡器127. 计数译码器137.1 计数电路137.2 译码显示148. 控制电路17第四部分 所用元件及实验心得 181. 元件列表 182. 实验心得183. 参考文献18附：总原理图19第一
2、部分 电子课程设计题目及要求1.题目人体脉搏计2设计目的 2.1熟悉脉搏计电路的组成、工作原理和设计方法。2.2掌握多谐振荡器、倍频器、计数器、译码器等的工作原理、使用方法、特点、用途 及主要参数的计算方法。2.3熟悉集成电路74LS00、74LS161、CC4518、CC4511、晶闸管、有源滤波电路的特点、 用途及主要参数的选择方法。3设计内容及要求3. 1设计题目：设计一个脉搏计。3.2要求：实现在15s内测量lmin的脉搏数，并且显示其数字。正常人的脉搏数为6080 次/min，婴儿为 90100 次/min，老人为 100150 次/min。3. 3放大与整形电路放大电路：电压放大倍
3、数u约为11倍，选R=100 KQ, C=100 口 F。试选择其它元A41件参数。有源滤波电路：电压放大倍数选用1.6倍左右。运放可均采用LM324，也可选 其它型号运放。整形电路:选用滞回电压比较器,集成运放采用LM339,其电路参数如下：R =5.1K Q，10R =100 KQ，R =5.1 KQ。11 12倍频电路：异或门选用可采用CC系列、也可采用TTL系列。 基准时间产生电路：试选择电路其它未知参数。 计数、译码、显示电路：试选择电路其它未知参数。 控制电路：试选择电路其它未知参数。4脉搏计的基本原理分析设计题目要求 脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电 图的主
4、要组成部分。由给出的设计技术指标可知，脉搏计是用来测量频率较低的小信号 （传感器输出电压一般为几个毫安），它的基本功能应该是 用传感器将脉搏的跳动转换为电压信号，并加以放大整形和滤波。 在短时间内（15s内）测出每分钟的脉搏数。 简单脉搏计的框图如图1所示。图1.1 脉搏计原理框图第二部分 设计方案设计背景随着人们生活水平的提高，心脏疾病的发病率呈上升趋势，已成为威胁人类身体健 康的杀手之一。因为心脏病的发作具有突发性和随机性，所以为患者进行实时的测量监 控已成为必然的趋势。随着电子科技的不断发展，生命科学和信息科学的结合越来越紧 密，许多研究人员都投身于人类的健康事业之中。心率：用来描述心动
5、周期的专业术语，是指心脏每分钟跳动的次数，以第一声音为 准。心电信号是一种非常弱且频率较低的信号，一般幅值在0.05-5mv，频率在 0.05-100Hz。脉搏波:人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，使血流 压力一波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波称为脉搏波。脉搏波 所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，很大程度上反映出人体心血管 系统中许多生理病理的血流特征。而心率的测量是一种评价病人生理状况很好的方法， 心率与脉搏在身体正常的时候是相等的。在房颤等心脏疾病时候可出现不等。因此心率 测量问题可以转化为脉搏的测量，而脉搏的测量更容易实现特点，在实际应
6、用中得到广 泛运用。1. 提出方案满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出下面两种方案。万案A :1）传感器将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。2）放大与整形电路将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号。3）倍频器将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将15s内传感器所获 得的信号频率4倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。4）基准时间产生电路 产生短时间的控制信号，以控制测量时间。5）控制电路 用以保证在基准时间控制下，使4倍频后的脉冲信号送到计数、 显示电路中。6）计数、译码、显示电路 用来读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管 显示出来。7）电源电路 按电路要求提
7、供符合要求的直流电源。 上述测量过程中，由于对脉冲进行了4倍频，计数时间也相应地缩短了4倍（15s）,而数码管显示的数字却是lmin的脉搏跳动次数。用这种方案测量的误差为4 次/ min,测量时间越短，误差也越大。方案B 如图2所示。该方案是首先测出脉搏跳动5次所需的时间，然后再换 算为每分钟脉搏跳动的次数，这种测量方法的误差小，可达1次/min，此方案的传感 器、放大与整形、计数、译码、显示电路等部分与方案A完全相同。2. 方案比较方案A结构简单，易于实现，但测量精度偏低；方案B电路结构复杂，成本高，测 量精度较高。根据设计要求，精度为土 4次/min，在满足设计要求的前提下，应尽量 简化电
8、路，降低成本，故选择方案A。放大整形电路 四倍频器计数译码显示图 2.1 确定后的脉搏计原理框图第三部分电路设计与分析1. 信号发生与采集脉搏传感器的作用是将脉搏信号转换为响应的电冲信号。脉搏传感器是脉象检测系 统中重要的组成部分，其性能的好坏直接影响到后置电路的处理和结果的显示。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：传感器工作原理的分类中物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致 伸缩效应现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化 都将转换成电信号。这里传感器采用了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动 情况，把脉搏跳动转换为电信号，
9、其原理电路如图3.1所示。图中，红外线发光管VD采用TLN104,接收三极管V采用TLP104。用+5V电源供电, R 取 500Q, R 取 1 OkQ。1 2图3.12. 放大电路由于传感器发出的信号很微弱，只有几毫伏左右，所以采用放大电路实现信号放大 作用，由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用了同相放大器，如图3.2所示，运 放采用了 LM324，电源电压+5V，放大电路的电压放大倍数为10倍左右。U0图3.2参数计算：由图可知这是反相比例运算电路，所以由虚短虚断知:Uo=(1+R2/RV1)Ui要保持放大倍数在 10 左右，有Uo/Ui=(1+R2/RV1)=11所以取RV1=10
10、K，R2=100K ，另外，取参数 R1=900K ， C1=100uF式（3.2.1）式（3.2.2）3. 有源滤波电路采用了二阶压控有源低通滤波电路，如图3.3 所示，作用是把脉搏信号中的高频干 扰信号去掉，同时把脉搏信号加以放大，考虑到去掉脉搏信号中的干扰尖脉冲，所以有 源滤波电路的截止频率为 1kHz 左右。为了使脉搏信号放大到整形电路所需的电压值， 通常电压放大倍数选用 1.6 倍左右。集成运放采用 LM324。c2图 3.3电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈。当信号频率趋于零时，由于 C1 的电抗 趋于无穷大，因而正反馈很弱；当信号频率趋于无穷大时，由于 C2 的电抗趋于零，因
11、而Up （s）趋于零。可以想象，只要正反馈引入得当，就可以在f=fo时使电压放大倍 数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自己振荡。因为同相输入端电位控制由集成运 放和Rl、R2组成的电压源，故称之为压控电压源滤波电路。参数分析：设G = G =M点的电流方程为UQ) - UM 5($)-氏d) um(5)- %(小 R _ I + R疋式(3.3.1)P点的电流方程为式(3.3.2)(Um(s)-Up(s)/R=Um(s)SC由式(3.3.1)和式(3.3.2)联解得Au(s)=Aup(s)/1+(3-Aup(s)sRC+(sRC)2式(3.3.3)在式(3.3.3)中，只有当Aup (s)小
12、于3时，即分母中S的一次项系数大于零，电路 才能稳定工作，而不产生自己振荡。若令S=jw, fo=l/2 n RC,则电压放大倍数Au=Aup/1-(f/fo)2+j(3-Aup)f/fo式(3.3.4)若令 Q= I l/(3-Aup)| ,则 f=fo 时，有丨 Au I f=fo二 I Aup I / I 3-Aup I =Q I Aup I , 即Q=IAuIf=fo/IAupI式( 3.3.5)可见，Q是f=fo时的电压放大倍数与通带放大倍数数值之比。20他严/dB图3.4由图可知通带放大倍数Aup=1+R2/R1式( 3.3.6)所以根据实际要求 Aup=1.6所以由 Q= I 1
13、/(3-Aup) I 和式(3.3.5)知IAuIf=fo= QIAupI=0.7IAupI式(3.3.7)因此，通带截止频率fp=fo=lKHzfo=l/2 n RC=1KHz 综上可以选取R1=10K，R=1K，所以R2=R1（1.6-1）=6KC二fo/2 nR=16uf4整形电路经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号，且有低频干扰，仍不满足计数 器的要求，必须采用整形电路，这里选用了滞回电压比较器，如图4.1所示，其目的是 为了提高抗干扰能力。集成运放采用了 LM339。参数设定 ：R1=100K，R2=5.1K，R3=5K01 ,“5+ t-； 1算!f图4.2 滞回比较器的电
14、压传输特性如图4.1所示，二极管负端通过下拉电阻接地，当输出的电压大于0时，则二极管导通，输出高电平，当输出电压为负电压时，二极管截至，则输出0，满足计数器的脉冲信号由以上可以画出放大与整形电路模块的连接电路，如下图：5.倍频器该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频，以便在15s内测出lmin内 的人体脉搏跳动次数，从而缩短测量时间，以提高诊断效率。倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较 复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的异或门组成的4倍频电路，如图 5.1所示。0.000033F-0.0000068F图5.1异或门组成的4倍频电路Gl和
15、G2构成二倍频电路，利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产生作用， 当输入由“0变成“1”或由“1”变成“0”时，都会产生脉冲输出，输入输出波形 如图5.2所示。图5.2倍频器的频率特性由两个二信频电路就构成了四倍频电路。电容器C的作用是为了增加延迟时间, 从而加大而出脉冲宽度。异或门用CC4030。参数设定C4= = 33口FR13 = 10 kQC5 = 6.8口FR14=10 kQ6基准时间产生电路这里的基准时间产生电路用555定时器来实现，即需要一个周期为30s的矩形波信 号。下面就将对如何实现何以信号进行具体分析：1) .NE555 定时器555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，利用它能极方便的构成施密 特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于灵活、方便，所以555定
